Réseaux de chaleur et de froid urbains

L’ensembles des pompes électroniques Wilo disposent de convertisseurs de fréquence intégrés permettant d’ajuster la vitesse de la pompe en fonction du mode de régulation choisi :

• sur une consigne de ΔP constant ou un ΔP variable,
• sur une consigne de vitesse constante,
• sur une consigne de ΔP ou de vitesse en fonction d’un signal analogique externe (0/10V, PT1000, …)
   

Pour les applications de plus de deux pompes en parallèle, il est nécessaire de prévoir un automate qui pilotera les pompes avec un signal analogique externe. Les pompes à vitesse fixe peuvent être associées à des convertisseurs de fréquence « déportés » qui offrent les mêmes modes de régulation.

Régulation Δp-constant

La régulation Δp-constant permet de maintenir une pression différentielle constante entre l‘aspiration et le refoulement de la pompe et ce quelle que soit l’évolution du débit et donc des pertes de charges du réseau. Ce mode de régulation permet d’assurer une
pression toujours suffisante pour l’irrigation de tous les circuits, quelles que soient les variations des pertes de charge.

Il permet également d’assurer une stabilité de fonctionnement et de limiter l’interactivité entre les différents réseaux. La régulation Δp-constant est celle à retenir lorsque les pertes de charges se localisent essentiellement dans les éléments terminaux.

Régulation Δp-variable

La régulation Δp-variable permet de réguler la hauteur manométrique d’une pompe proportionnellement au débit. En régulation Δp-variable la pression différentielle entre l’aspiration et le refoulement de la pompe varie entre le point de consigne H et H/2. Celle-ci dépend de l’évolution des pertes de charges du réseau.

La régulation Δp-variable est celle à retenir lorsque les pertes de charges se localisent essentiellement dans les tuyauteries. La pompe doit être parfaitement définie et l’installation correctement équilibrée. Dans une application de réseau de chaleur, ce mode de régulation est à étudier sur le plan thermique.

Dans un cas extrême, si certains émetteurs sont en demande maximale et que d'autres ne le sont pas, la pression fournie par la pompe peut être insuffisante pour satisfaire le besoin des émetteurs les plus défavorisés.

Les modes de régulation sur consigne de pression sont à privilégier sur les réseaux à débit variable.

Régulation Δp en marche parallèle

Dans une configuration de plusieurs pompes  en parallèle, lorsque les pertes de charges se localisent essentiellement dans les tuyauteries,  il est admissible de faire fonctionner la pompe principale en Δp-variable pour permettre de réaliser :

• Une économie d’énergie électrique de  pompage.
• Une réduction de la pression aux émetteurs et vannes de régulation, qui permet une meilleure stabilité de ces vannes et une réduction sonore.
   

Dans le cas de plusieurs pompes en parallèle, la gestion de la cascade et de la vitesse des pompes est faite au travers d’un coffret de commande associé à un capteur de pression différentielle pour permettre une régulation en ∆P, suivant le schéma suivant.

Le réglage de la consigne n’est pas géré sur la pompe mais à distance via un automate (GTC) par exemple. 

L’automate compare la consigne et la mesure du capteur puis agit directement sur la vitesse d’une ou plusieurs pompes afin de maintenir la consigne et de répondre aux besoins de l’installation. Dans certains cas, la consigne de l’automate peut-être envoyée et modifiée à distance via un signal analogique externe, généralement en 4/20mA.

Dans une distribution à débit variable assurée avec plusieurs pompes en parallèle : 
Si le besoin peut être couvert par une seule pompe, il est préférable de la faire fonctionner à 100%, plutôt que de couvrir le besoin avec plusieurs pompes variées.

• Si le débit est couvert par une seule pompe : variation de la pompe principale de 10 à 100% de son débit .
• Si le débit n’est plus couvert par une seule pompe : pompe principale à 100% + variation de la pompe d’appoint n°1. 
• Si le débit n’est plus couvert par deux pompes : pompe principale et pompe d’appoint n°1 à 100% + variation de la pompe d’appoint n°2.
• Si le débit n’est plus couvert par trois pompes : pompe principale et pompes d’appoint n°1 et 2 à 100% + variation de la pompe d’appoint n°3.
   

La permutation cyclique des pompes permet un équilibre des temps de fonctionnement.

La plage de meilleur rendement hydraulique d’une pompe étant située dans la zone de haut débit, on comprend pourquoi ce fonctionnement est le plus pertinent.

Pour une meilleure plage de régulation de vitesse, le choix de courbes pentues est à privilégier.

Courbe représentative du rendement hydraulique

Exemple : 4 pompes Wilo-Stratos GIGA 65/1-34/ 3.1-R1 en parallèle pour un besoin nominal à 140 m³/h – 25 mCE

Comme le montre le détail des consommations électriques annuelles ci-dessus, en fonctionnement à 25% des besoins, énergétiquement parlant il est préférable de fournir le débit sur une seule pompe. Les coffrets de commande Wilo Smart SCe-HVAC sont conçus pour fonctionner sur ce principe d’optimisation.

Zoom sur les coffrets de commande Wilo Smart Control « SCe-HVAC » commandés par microcontrôleur et affichage par écran LED

Pilotage et régulation des systèmes jusqu’à 4 pompes simples en fonctionnement sur l’un des modes de régulation suivants :

• Pression différentielle constante, Δp-c
• Pression différentielle variable Δp-v
• Température différentielle constante ΔT
   

Chaque pompe possède un convertisseur de fréquence (intégré ou déporté). Seule une pompe se charge cependant de réguler la vitesse de rotation permettant un fonctionnement des autres pompes à leur point de meilleur rendement.

Le fonctionnement en Δp variable est possible lorsqu’une seule pompe est suffisante pour couvrir les besoins de l’installation. Ce fonctionnement permet d’optimiser la consommation électrique de cette pompe.

• Permutation automatique des pompes réglable
• Dégommage automatique de la pompe (kick de pompe)
• Réglage à distance de la valeur de consigne
• Fonctionnement avec deux valeurs de consigne différentes.
• Réglage des rampes d’accélération et de décélération des pompes
• Réglage des paramètres (temps / vitesse) des pompes d’appoints
• Réglage des paramètres PID (proportionnel, intégral, dérivé)
• Visualisation des données d’exploitation, du temps fonctionnement (total / pompe par pompe)
• Lecture et écriture par protocoles de communication : Modbus de série ou Bacnet en option
• Ordre de marche
• Reports de marche et de défaut centralisés
   

Permutation en cas de défaut d’une installation à pompes multiples : en cas de panne, la pompe principale est désactivée et une autre pompe se charge de la fonction de régulation. Fonctionnement en mode dégradé en cas de défaut du capteur : le comportement du coffret de commande peut être déterminé en cas de défaut d’un capteur (par exemple rupture de câble). Le système est soit désactivé, soit il continue de fonctionner avec une pompe. La vitesse de rotation de la pompe peut être réglée.

Coffret de commande Wilo-SCe-HVAC system

Comparatif de fonctionnement entre Δp constant sur l’ensemble des pompes et Δp variable sur la 1ère pompe dans le cadre d’un réseau boucle tempérée sur un profil de charge donné par l’exploitant.

Régulation ΔT-constant

La régulation ΔT dépend de la puissance calorifique absorbée. Ce mode de régulation est utilisé dans les réseaux à débit constant et reste incompatible avec un réseau à débit variable.

Si le débit est réduit par un organe de régulation (ex : V2V), le fluide caloporteur se refroidit car il met plus de temps pour parcourir le réseau : le ΔT augmente. Si le ΔT augmente, la pompe va accélérer sa vitesse alors que le débit est réduit par un organe de régulation. Le débit variable et la régulation ΔT sont donc opposables.

Il est aussi à noter que le temps de réaction peut être long en fonction de la longueur du réseau, et de l’inconfort thermique peut-être généré en cas de plusieurs sous-stations, bouteilles ou échangeurs. Ce mode de régulation peut toutefois présenter un réel avantage en sous stations dans les séparations hydrauliques entre un réseau primaire et un réseau secondaire.

Les circulateurs Wilo Stratos-MAXO et pompes Wilo Stratos-GIGA2.0 disposent d’un mode de régulation sur une consigne de ∆T constant permettant un maintien de ce dernier, sans automate additionnel comme le décrit le schéma simplifié ci-dessous. La vitesse de la pompe est ajustée afin de maintenir la consigne ∆T constant.

Une sonde de température (1) externe* PT 1000 installée sur le retour est câblée à la pompe sur l’entrée analogique AI1 ou AI2. Une sonde de température externe (2) PT 1000 installée sur le retour est câblée à la pompe sur l’entrée analogique AI1 ou AI2. 

Les Wilo-Stratos-MAXO et Wilo-Stratos-GIGA2.0 disposent d’une fonctionnalité Qlimit-min qui peut permettre d’assurer un débit minimum d’irrigation si l’installation l’exige.

Résistivité du réseau : coefficient C

La résistance hydraulique est une grandeur caractérisant une perte de pression subite dans une conduite par la circulation d’un fluide. Cette perte de pression est communément appelée perte de charge. Lorsque la tuyauterie de distribution est longue, sa résistance hydraulique peut être importante. Rappelons que les pertes de charges évoluent au carré du débit. Ainsi :

• Un débit multiplié par deux générera une augmentation des pertes de charge multiplié par 4. (2²)
• Un débit multiplié par trois générera une augmentation des pertes de charge multiplié par 9. (3²)
   

Le schéma ci-dessous représente une installation indiquant une mesure de Δp au début du réseau (points AB) et une autre mesure de Delta P en bout de réseau (points CD).

A pleine puissance, la pression différentielle en début de réseau entre A et B est supérieure à celle en bout de réseau entre C et D. Lorsque le réseau se ferme, les points C et D se déplacent respectivement en C’ et D’. On constate alors une augmentation de la pression différentielle aux bornes des émetteurs.

L’une des possibilités pour limiter la pression différentielle lorsque le réseau se ferme en tout ou partie est la régulation Δp-variable. Le déport du capteur de pression est également une possibilité qui, en plus de limiter la pression différentielle lorsque le réseau se ferme en tout ou partie, permet une meilleure plage de variation de vitesse, gérant ainsi des économies d’énergie et un meilleur confort thermique et acoustique.

La valeur du coefficient C permet une orientation dans le choix du mode de régulation le plus approprié au réseau. Ainsi la valeur du coefficient C est donnée par la formule C= Δp CD / Δp AB

• C < 0,5 : régulation Δp-variable ou capteur déporté
• C > 0,5 : régulation Δp-constant
   

Mesure de la pression différentielle

En règle générale, pour les pompes à rotor sec, la régulation de pression est réalisée par un capteur différentiel de pression directement raccordé sur les brides de la pompe (cas d’une pompe simple ou double) ou raccordé entre les collecteurs communs d’aspiration et de refoulement dans le cas de pompes en parallèle (cascade).

Dans certaines applications, telles que les réseaux de chaleur et de froid pour lesquelles les pertes de charges se localisent essentiellement dans les tuyauteries, il peut être pertinent de déporter le capteur de pression différentielle. Le positionnement du capteur de pression différentielle doit être réalisé en fonction de la valeur du coefficient C.

• C < 0,5 : capteur Δ P déporté.
• C > 0,5 : capteur Δ P monté aux bornes de la pompe acceptable.
• C = 1 ou très proche : capteur Δ P monté aux bornes de la pompe.
   

Le principe de déport du capteur de pression permet ainsi une limitation de la pression différentielle en tout point du réseau, lorsque celui-ci se ferme en tout ou partie. Cela apporte :

• Une meilleure plage de variation de vitesse : économies d’énergie 
• Un confort thermique 
• Une stabilité des vannes de régulation
• Une réduction du bruit des vannes de régulation